Contribution à la caractérisation du comportement géomécanique des roches couverture des réservoirs pétroliers, Contribution to the characterization of geomechanical behavior of caprocks in petroleum industry

Aurélien Noiret

Description

Sous la direction de Françoise Homand
Thèse soutenue le 10 mars 2009: INPL
Une connaissance plus approfondie du comportement des roches argileuses, et plus particulièrement de leur tenue, s'avère aujourd'hui indispensable dans le cadre de plusieurs thèmes de recherche d'importance croissante : comme couverture des réservoirs pétroliers pour la production d’hydrocarbures et la séquestration de CO2, ou en tant que roche hôte pour le stockage des déchets nucléaires en couches géologiques profondes. Ces roches sont particulièrement difficiles à caractériser expérimentalement du fait de leur très faible perméabilité et de leur sensibilité à l'eau. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des couplages hydromécaniques intervenant dans ces matériaux. Tout d’abord, une contribution à la caractérisation de l’évolution de la structure des roches argileuses soumises à un chargement mécanique est apportée. A cet effet, un essai de compression uniaxiale sur l’argilite de Tournemire associant des observations au MEB et une méthode de corrélation d’images numériques est proposé. Par la suite, des simulations numériques des essais œdométriques ont été réalisées pour appréhender l'influence des propriétés poromécaniques, en particulier de la faible perméabilité sur le comportement de l'échantillon. L’étude des équations de diffusion et les simulations numériques effectuées nous permettent de proposer une méthode de détermination de la perméabilité intrinsèque de ces matériaux. Dans la dernière partie, une étude du comportement d’une roche couverture d’un réservoir pétrolier à grande échelle est réalisée sur un cas synthétique 3D. L’objectif de ce chapitre est d’étudier les variations du champ de contrainte au sein de la couverture au cours de la production du réservoir
-Essais œdométriques
-Argilites de Meuse/Haute-Marne.
-Argilites de Tournemire
-Poroélasticité
-Isotropie transverse
-Caractérisation expérimentale
Knowledge of shale poromechanical behavior is essential for various environmental issues such as CO2 deep geological storage, high level radioactive waste storage, oil field abandonment… Furthermore, due to their good confinement properties, there are considered as potential host rocks for high level radioactive waste storage. However, their experimental characterization is very complex because of their very low permeability and their saturating fluid sensitivity. The main objective of this study is to improve knowledge of hydromechanical coupling of such a material. To study the structure of argillites under stress, SEM in-situ uniaxial compression test is performed on parallelepiped sample; compression orientation is perpendicular to bedding planes direction. Correlation techniques are used to estimate strain distributions. Second part underlines the key points of shale experimental characterization using the framework of Biot’s mechanics of fluid saturated porous solids. Shales are well known as a more or less transverse isotropy material. The complete methodology to conduct œdometric tests on such sensitive and weakly permeable material is described. Measurements realized on Tournemire argillite are proposed and a comparison with the poroelastic parameters of Meuse / Haute-Marne is given. Furthermore, to investigate hydromechanical coupling, a transverse isotropic poroelastic model is used to estimate the influence of anisotropy on diffusion characteristic time. The experimental data are used in numerical simulations to estimate the intrinsic permeability of the samples. In the last part, the caprock behavior of a petroleum field is studied at large scale with a 3D synthetic model (finite element analysis). The purpose of this last chapter is to study changes in stress field during the oil production
-Œdometric test
-Expérimental characterization
-Tournemire argillite
-Transverse isotropy
-Poroelasticity
-Meuse/Haute-Marne argillite
Source: http://www.theses.fr/2009INPL014N/document

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École Nationale Supérieure de Géologie de Nancy
Laboratoire Environnement, Géomécanique & Ouvrages
École Doctorale RP2E


THÈSE


Présentée en vue de l’obtention du grade de :
DOCTEUR DE L’I.N.P.L.
Spécialité :
Génie civil – Hydrosystèmes – Géotechnique


Par :
Aurélien NOIRET

Contribution à la caractérisation du comportement
géomécanique des roches couverture des réservoirs
pétroliers


Date de soutenance : le 10 mars 2009
devant la Commission d’Examen



Membres du jury :

Rapporteurs : HICHER Pierre-Yves
SHAO Jian-Fu
Examinateurs : ARMAND Gilles
BEMER Elisabeth
BEN SLIMANE Karim
GIRAUD Albert
Directeur de thèse : HOMAND Françoise


A. Noiret i



Remerciements

Au terme de ce travail de thèse, je suis particulièrement heureux de pouvoir écrire ces quelques lignes
qui me permettent de faire un petit signe aux personnes ayant participé et encouragé le long de ces
trois années et quelques mois…

Tout d’abord, ce travail de thèse est le fruit d’un partenariat entre le Laego et l’IFP. A ce titre, je
remercie Françoise Homand d’avoir accepté d’encadrer cette thèse. Un grand merci à Elisabeth Bemer
qui aura eu la lourde tâche de me côtoyer au jour le jour. Elisabeth, j’espère que ces 3 années m’auront
permis d’acquérir un peu de ta rigueur…

Mes remerciements s’adressent dans un deuxième temps aux membres du jury : Albert Giraud pour
m’avoir fait l’honneur de présider mon jury, également à Pierre-Yves Hicher et Jian-Fu Shao pour
avoir consacré une partie de leur temps précieux à l’examen de ce mémoire, mais aussi Gilles Armand
et Karim Ben Slimane pour avoir lu attentivement ces pages.

De plus, je souhaite exprimer ma reconnaissance envers l’IRSN et l’Andra pour m’avoir fourni les
échantillons sur lesquels s’appuient ces travaux, mais aussi à l’égard de Fredérique Fournier, Olga
Vizika et Jean-Marc Lombard pour m’avoir accueilli au sein de l’IFP.

Je tiens à souligner que la partie expérimentale présentée dans ce mémoire est avant tout le fruit d’une
collaboration avec de nombreuses personnes. Sur ce point, je tiens à remercier : Jacques, sans qui je
serais toujours en train de me battre avec la tuyauterie ; Jean-Luc, désolé pour tous les composants
électroniques que j’ai pu griller ; Valérie, grâce à qui je connais maintenant la différence entre
étalonnage et calibration ; Dominique, si mes échantillons sont cylindriques ce n’est pas grâce à moi ;
enfin, Jean-François et Bernard avec qui j’ai apprécié discuter, que le sujet se rapporte aux argilites ou
non…

Bien que mes séjours à Nancy fussent de courte durée, ils n’en restèrent pas moins enrichissants. A ce
titre je tiens à associer mes remerciements à Richard Giot pour m’avoir fait une place dans son bureau,
son aide et le temps consacré à la réalisation des simulations numériques.

Enfin, je tiens à remercier Michel Bornert et son équipe qui m’ont permis d’utiliser les infrastructures
du LMS, notamment le MEB, tout en me faisant partager leur grande expérience sur les techniques de
corrélation d’images numériques.

Je terminerai ces remerciements par une pensée pour mes proches et amis avec qui j’ai pu partager des
moments de joies, mais aussi de doutes durant ces quelques années. J’ai sûrement plus d’un défaut et
les argilites n’étaient généralement pas votre tasse de thé, mais merci d’avoir été présents. J’espère que
vous vous reconnaîtrez…
d^^b

A. Noiret ii





A. Noiret iii

Table des matières

1  Structure et sensibilité des matériaux argileux .............................................. 4 
1.1  Structure des argiles ......................................................................................................................4 
1.1.1  Les minéraux argileux ........... 4 
1.1.2  Notion d’échelle dans les matériaux argileux ................................................................................ 7 
1.1.3  Microstructure et porosité des roches argileuses .......................................................................... 10 
1.1.4  Observations sur l’argilite de Tournemire ................................................................................... 11 
1.2  Sensibilité des roches argileuses.................................................................................................. 14 
1.2.1  Cas d’une roche argileuse saturée ................................................................................................ 14 
1.2.2 roche argileuse non saturée ......................................................................................... 17 
1.2.3  Caractérisation du gonflement ..................................................................................................... 19 
1.2.4  Influence de la minéralogie et de l’organisation structurale ........................................................ 20 
2  Propriétés et comportement mécanique des roches argileuses ................... 22 
2.1  Minéralogie et propriétés physiques ............................................................................................ 22 
2.1.1  Définition des propriétés physiques ............................................................................................. 22 
2.1.2  Argilite de Meuse / Haute Marne (Bure) ..................................................................................... 23 
2.1.3  Argilite de Tournemire ................................................................................................................ 25 
2.1.4  Argile à Opalinus (Mont Terri) .................................................................................................... 27 
2.1.5  Argile de Boom ............................................................................................................................ 28 
2.1.6  Synthèses des données minéralogiques et pétrophysiques ........................................................... 28 
2.2  Propriétés mécaniques des roches argileuses .............................................................................. 33 
2.2.1  Présentations des paramètres mécaniques .................................................................................... 33 
2.2.2  Protocole de mesures des caractéristiques mécaniques ................................................................ 34 
2.2.3  Synthèses des paramètres mécaniques ......................................................................................... 37 
2.3  Evolution de la structure d’une argile raide soumise à un chargement ....................................... 42 
2.3.1  Comportement d’une argile raide à l’échelle macroscopique ...................................................... 42 
2.3.2  Evolution de la microstructure des roches argileuses en cours de chargement ............................ 43 
2.4  Essai de compression uniaxiale d’un échantillon d’argilite de Tournemire ................................ 44 
2.4.1  Principe de la méthode de corrélation d’images numériques ....................................................... 44 
2.4.2  Incertitudes de mesure ................................................................................................................. 47 
2.4.3  Préparation des éch